MOSFET结构、原理及测试

MOSFET由MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体)+FET(Field Effect Transistor场效应晶体管)这个两个缩写组成。即通过给金属层(M-金属铝)的栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2)的源极施加电压，产生电场的效应来控制半导体(S)导电沟道开关的场效应晶体管。由于栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，MOSFET因此又被称为绝缘栅型场效应管。

市面上大家所说的功率场效应晶体管通常指绝缘栅MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),简称功率MOSFET(Power MOSFET)。实际上场效应管分为结型和绝缘栅两种不同的结构。场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称为单极型晶体管。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor-SIT)。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。MOSFET功率场效应晶体管，大多数用作开关和驱动器，工作于开关状态，耐压从几十伏到上千伏，工作电流可达几安培到几十安。功率MOSFET基本上都是增强型MOSFET，它具有优良的开关特性。

MOSFET的分类

MOSFET的种类：按导电沟道类型可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为：

耗尽型-当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；

增强型-对于N(P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道;

功率MOSFET主要是N沟道增强型。

MOS管结构原理图解(以N沟道增强型为例)

N沟道增强型MOS管结构如图5所示。它以一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区，并引入两个电极分别为源极S(Source)和漏极D(Drain),半导体上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2上面制作一层金属铝Al，引出电极，作为栅极G(Gate)。通常将衬底与源极接在一起使用。这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。当栅-源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

MOS管工作原理详解(N沟道增强型为例)

1、当栅-源之间不加电压时即VGS=0时，源漏之间是两只背向的PN结。不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电沟道。

2、当UDS=0且UGS>0时，由于SiO2的存在，栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷．它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，如图6所示

功率MOSFET的基本特性

1.1静态特性；其转移特性和输出特性。

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs

MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

1.2动态特性；其测试电路和开关过程波形。

开通过程；开通延迟时间td(on) —up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段；

上升时间tr— uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；

iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。

开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。

关断延迟时间td(off) —up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。

下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS

关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。

1.3 MOSFET的开关速度。

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系，使用者无法降低Cin， 但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10— 100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。

场控器件静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

2.1动态性能的改进

在器件应用时除了要考虑器件的电压、电流、频率外，还必须掌握在应用中如何保护器件，不使器件在瞬态变化中受损害。当然晶闸管是两个双极型晶体管的组 合，又加上因大面积带来的大电容，所以其dv/dt能力是较为脆弱的。对di/dt来说，它还存在一个导通区的扩展问题，所以也带来相当严格的限制。

功率MOSFET的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒（而不是每微秒）的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这些我们可以从功率MOSFET的基本结构来予以理解。

图4是功率MOSFET的结构和其相应的等效电路。除了器件的几乎每一部分存在电容以外，还必须考虑MOSFET还并联着一个二极管。同时从某个角度 看、它还存在一个寄生晶体管。（就像IGBT也寄生着一个晶闸管一样）。这几个方面，是研究MOSFET动态特性很重要的因素。

首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速 度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和 我们一般理解PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导 通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。

功率MOSFET的设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用。在不同代功率MOSFET中其 措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻RB尽量小。因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管 才开始发难。然而在严峻的动态条件下，因dv/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大。此时这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给MOSFET带来损坏。所以考虑瞬态性能时对功率MOSFET器件内部的各个电容（它是dv/dt的通道）都必须予以注意。

瞬态情况是和线路情况密切相关的，这方面在应用中应给予足够重视。对器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相应的问题。

二、功率MOSFET的导通电阻-晶圆级测量

为了保证Kelvin阻值测量的精度，需要考虑几项重要的因素：(1)待测器件（DUT）的几何形状；(2)到器件的接线；(3)材料的边界；(4)各种材料（包括接线）的体电阻率。

一种测量RDS(on)的典型方法是在卡盘（Chuck）和接触晶圆顶部的探针之间产生电流。另一种方法是在晶圆的背面使用探针来代替卡盘。这种方法可以精确到2.5mΩ。

一种较大的误差来源于晶圆和卡盘之间的接触（如图1所示）。因为卡盘上以及晶圆背面粗糙不平，所以只有在个别点进行电气连接。晶圆和卡盘之间的接触电阻的数值足以给RDS(on)的测量引入较大的误差。仅仅重新放置卡盘上晶圆的位置就会改变接触区域并影响RDS(on)的测量结果。

图1典型的测量结构，横截面视图

另一种测量偏差来源是探针的布局。如果移动了强制电流探针，电流的分布模式将发生变化。这会改变电压梯度模式，而且会改变电压检测探针处的电压。

三、功率MOSFET的导通电阻-相邻晶粒方法

需要的设备包括：(1)带有6个可用探针的探针台；(2)电压计；(3)电流源。将晶圆和导电的卡盘隔离开这一点非常重要。如果晶圆与卡盘存在接触，那么这种接触将造成电流以平行于基底的方式流动，改变了测量结果。可以用一张纸将晶圆和卡盘隔离开。

到漏极的连接是通过在待测器件的另一侧使用相邻的完全相同的器件来实现的。内部晶圆结构要比晶圆和卡盘之间的连接牢固得多。因此，相邻晶粒方法要比传统的RDS(on)测量方法精确得多。

图2显示了测量的结构。3个MOSFET和6个探针均在图中显示出来，电接触则示意性地画出。中间的MOSFET是待测器件。

图2 RDS(on)测量结构

显示的极性属于N沟道MOSFET。漏极电流受限于探针的电流传输能力。左侧的MOSFET的作用是在待测器件的漏极侧施加电流。待测器件右侧的MOSFET用于测量漏极电压。

在MOSFET中，如果栅极开启，而且漏极到源极之间没有电流，那么漏极和源极的电压相等。这种方法就利用这个原理来测量探针D上的漏极电压。

栅极偏压被连接在探针C和E之间。如果连接在探针B和E之间，那么探针B和源极焊盘之间的电压降会降低待测器件上的实际栅极电压。因为在RDS(on)测量过程中没有电流通过，所以探针C上不存在电压降。

相邻晶粒方法确实需要右侧的MOSFET（在探针D和F之间）处于工作状态。如果这个晶粒上的栅极和源极被短路，那么测量结果可能不正确。

RDS(on)的取值是通过计算Vdc/IAB得到的，但是也可以得到更加精确的RDS(on)取值。

四、功率MOSFET的导通电阻-FEA辅助确定RDS(on)测量值

尽管相邻晶粒法很精确，但是它并不能给出RDS(on)完全精确的测量值。为了得到仅由有源区贡献的RDS(on)，可以将测量结果与仿真进行对比。有限元分析（FEA）软件可以用来为测量结构建模。一旦建立了有源区电阻和RDS(on)测量值之间的关系，就可以根据测量结果确定有源区的电阻。

仿真模型是3个MOSFET和晶圆的一部分的三维表示。在有限元模型中，有源区电阻是已知的。FEA软件用来对测试结构建模并计算RDS(on)测量结果。仿真过程进行两次，使用两个不同的有源区电阻值来计算结果。因为响应的线性相当好，所以电阻值是任意选取的。对每种晶粒的尺寸，这种仿真只需要进行一次。利用仿真测量结果和实际有源区的电阻之间的关系，可以得到一个公式，用来根据相邻晶粒方法的测量值计算有源区电阻。

五、功率MOSFET的导通电阻-相邻晶粒方法2

有几项因素会给测量引入误差。最重要的因素是探针的位置以及基底的电阻率。

从仿真结果可以看出，有些因素对测量结果的影响非常小。基底的厚度通常是200μm。厚度从175μm变化到225μm只会给RDS(on)带来1%的误差（仿真的测量结果）。同样，背垫金属表面电阻的变化对结果的影响也不会超过1%。仿真得到的一项惊人的结果表明，顶部金属厚度和电阻率对结果的影响也可以忽略不计。

基底电阻率的变化会给RDS(on)测量结果带来线性响应。图3显示了远远超出实际基底正常分布的基底电阻率。这样做是为了显示响应是线性的。

图3由于基底电阻率造成的仿真结果的误差

探针在待测器件上的摆放位置必须保持一致。探针位置的变化会造成测量结果的变化。待测器件左侧和右侧器件上探针的位置（见图2中的A和D）也会影响测量结果，但是影响没有前者大。造成这种测量误差的原因在于顶部金属的表面电阻大于0。

将探针B或C从源极焊盘中心向边缘移动会导致较大的误差。图4显示了移动探针B或C所产生的误差。每条线表示RDS(on) 2%的误差。在绘制这张图时，使用了5μm×5μm的网格。每次只移动一个探针的位置。

图4探针位置所引起的误差

相邻晶粒方法是一种成本低廉、精确地以晶圆形式测量MOSFET有源区的RDS(on)的方法。它在检测不同批次晶圆的差别方面非常有用。

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